Введение к работе
Электронно-лучевые технологии относят к высокоэффективным методам металлообработки и получения материалов с новыми свойствами. Однако несмотря на то, что в структуре промышленности Беларуси предприятия машино- и приборостроительного профиля имеют большую долю, объем применения электронно-лучевых технологий на них незначителен. Это обусловлено главным образом тем, что производство собственных электроннолучевых энергокомплексов в Беларуси отсутствует, а стоимость импортных составляет величину порядка 0,5 - 1 млн. долларов. Поэтому модернизация имеющегося или разработка нового электронно-лучевого оборудования отечественного производства позволит расширить область применения электронно-лучевых технологий в промышленности республики и будет способствовать выполнению программ энерго- и ресурсосбережения, а также решению проблемы импортозамещения в области обеспечения электронно-лучевым оборудованием предприятий Беларуси.
Традиционно в качестве источников электронов в электронно-лучевых установках используются термокатодные электронные пушки, обладающие наряду с таким достоинством, как высокое качество электронного пучка, и рядом недостатков, которые отсутствуют у источников электронов с плазменным эмиттером. Функциональные и эксплуатационные характеристики плазменных источников электронов (ПИЭЛ) показали не только перспективность их применения для реализации существующих электронно-лучевых технологий обработки материалов, но и возможности расширения использования электронных пучков. Применение ПИЭЛ в качестве генератора технологических электронных пучков требует создания соответствующих систем электропитания и управления, обеспечивающих технологические требования к стабильности выходных параметров и устойчивости систем к различным дестабилизирующим факторам. Поскольку для всех генераторов плазмы в различных режимах характерна нелинейная зависимость интенсивности ионизационных, эмиссионных и других процессов в плазме от большого количества факторов как при генерации эмиттирующей плазмы, так и при формировании электронных пучков, то это вызывает трудности при формировании электронных пучков со стабильными параметрами. В настоящее время механизмы формирования эмиссионного тока в ПИЭЛ не являются до конца изученными. В связи с этим настоящая работа, направленная на исследование основных факторов, определяющих технологические параметры ПИЭЛ, поиск способов управления этими параметрами, разработку оптимальных (учитывающих особенности) систем электропитания ПИЭЛ и в целом электроннолучевого энергокомплекса с плазменным источником электронов отечественного производства, представляется актуальной.
Связь работы с крупными научными программами (проектами) и темами. Исследования проводились в рамках Государственной программы фундаментальных и опытно-исследовательских работ по заданию «Плазмо-динамика 02» (2003 - 2005 гг.) - «Теоретические и экспериментальные исследования эффективности переключения электронного тока в плазменных источниках электронов с замагниченной эмиттирующей плазмой» (К гос. регистрации 2002801), Государственной программы прикладных научных исследований «Материалы в технике» (задание 1.36.2) совместно с Физико-техническим институтом НАН Беларуси «Разработка процессов и технологических основ получения изделий из отходов тугоплавких металлов электронно-лучевым переплавом» (№ гос. регистрации 20072125), задания Министерства образования «Исследование физических характеристик и технологических возможностей электронных пучков пушек с плазменным эмиттером» (№ гос. регистрации 20061820), гранта Министерства образования «Электронно-лучевой энергокомплекс на базе пушек с плазменным эмиттером» (№ гос. регистрации 2001343), а также госбюджетных научно-исследовательских работ, выполняемых в Полоцком государственном университете в 1999 - 2004 годах по темам: «Исследование условий формирования в плазменных источниках электронов пучков большого сечения с заданным распределением тока» (№ гос. регистрации 2000906), «Разработка экспериментального образца источника электронов с пучком большого сечения» (№ гос. регистрации 2000908).
Цель и задачи исследования
Целью работы является создание универсального энерго- и ресурсосберегающего отечественного технологического электронно-лучевого энергокомплекса на основе электронных пушек с плазменным эмиттером со стабильными эмиссионными характеристиками для электронно-лучевой обработки материалов. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
провести анализ существующих электронно-лучевых энергокомплексов, их характеристик и опыта применения плазменных источников электронов в технологических электронно-лучевых энергокомплексах;
изучить особенности физических процессов переключения электронного тока из плазмы в эмиссионный канал в эффективных газоразрядных структурах плазменных источников электронов и влияние на характеристики газоразрядных структур конфигураций электрического и магнитного полей, реализуемых в них;
исследовать возмущение эмиттирующей плазмы при отборе электронов в эмиссионный канал газоразрядной структуры;
установить способы стабилизации эмиссионного тока из газоразрядной структуры плазменного источника электронов;
разработать электронно-лучевые устройства на основе плазменных эмиттеров для электронно-лучевой сварки при повышенном давлении в технологической камере и для термической модификации внутренних цилиндрических поверхностей;
разработать систему электропитания плазменных эмиттеров, позволяющую реализовать непрерывный и импульсный режимы работы различных электронно-лучевых устройств с достаточным уровнем стабильности параметров;
осуществить технологическую апробацию экспериментального электронно-лучевого энергокомплекса.
Объектом исследования являются электродные структуры, в которых возбуждается газовый разряд, плазма газового разряда, электронный пучок, системы электропитания плазменных источников электронов.
Предмет исследования — взаимосвязь характеристик разрядов, эмиссионных свойств плазмы, условий переключения электронов из газоразрядной плазмы в электронный пучок, способы управления параметрами пучка.
Положення, выносимые на защиту
Распределение электронного тока между электродами газоразрядной структуры и эмиссионным каналом в существенной степени определяется двумя механизмами: изменением падения потенциала в приэлектродных слоях и ранее не рассматривавшимся формированием электрического поля в плазме, повышающего ионизационную способность плазменных электронов, а не только соотношением площадей электродов газоразрядной структуры и эмиссионного канала, как было принято считать ранее.
При увеличении эффективности извлечения электронов в плазменном источнике электронов усиливается возмущение эмиттирующей плазмы, которое можно отождествить с дополнительным энерговкладом в разряд от источника напряжения ускорения электронного пучка. В результате такого возмущения параметры плазменного эмиттера становятся зависимыми от эффективности извлечения, ускоряющего напряжения и ионизационных процессов в ускоряющем промежутке, а схемотехническая стабилизация тока разряда не обеспечивает в достаточной степени стабильность тока эмиссии (пучка).
Включение сопротивлений смещения потенциала в цепи электродов газоразрядной структуры плазменного источника электронов обеспечивает не только перераспределение токов в газоразрядной структуре и эффективное извлечение электронов из плазмы, но и автоматическую стабилизацию тока эмиссии (пучка).
Разработанная оригинальная система электропитания плазменного эмиттера осуществляет в достаточной для технологического применения степени регулирование и стабилизацию тока эмиссии, автоматическую подачу импульса напряжения выше напряжения зажигания при случайных погасаниях разряда и обеспечивает работу плазменного эмиттера в стационарном и импульсном режимах.
Личный вклад соискателя
Соискатель принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, обобщении теоретических результатов, установлении новых закономерностей, а также во внедрении результатов в производство. Вклад соавторов совместных публикаций состоял в научном руководстве, корректировке цели и задач исследований, обсуждении полученных результатов.
Апробация результатов диссертации
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на
V, VI Республиканской конференции студентов, магистрантов и аспирантов
(Гродно, 23 - 25 апреля 2000 г., Витебск, 17 -19 октября 2001 г.); III, V между
народных конференциях «Физика плазмы и плазменные технологии - ФППТ-3,
ФППТ-5» (Минск, 18-22 сентября 2000 г., 2006 г.); IV международной научно-
технической конференции «Ресурсосберегающие экотехнологии: возобновление
и экономия энергии, сырья и материалов» (Гродно, 11 - 13 октября 2000 г.);
международной научно-технической конференции «Упрочнение, восстанов
ление и ремонт на рубеже веков» (Новополоцк, 17 - 19 апреля 2001 г.);
V симпозиуме Беларуси, Сербии и Черногории по физике и диагностике ла
бораторной и астрофизической плазмы. ФДП-V 2004 (Минск, 20 - 23 сентяб
ря 2004 г.); 3-й международной выставке «Электротехнология» (Санкт-
Петербург 25 - 26 мая 2005 г.); II международном Крейнделевском семинаре
«Плазменная эмиссионная электроника» (Улан-Уде, 17-24 июня 2006 г.);
VI, VII международных научно-технических конференциях «Материалы, тех
нологии и оборудование в производстве, в ремонте и модернизации машин»
(Новополоцк, 27 - 29 марта 2007 г., 2009 г.); V международной научно-
технической конференции «Проблемы проектирования и производства ра
диоэлектронных средств» (Новополоцк, 29 - 30 мая 2008 г.).
Опубликованность результатов
Основное содержание диссертации отражено в 28 научных работах, из них: 10 опубликованы в рецензируемых научных изданиях, 4 - в сборниках научных трудов, 7 - в сборниках материалов конференций, 5 - в сборниках тезисов (рефератов) докладов, 2 - в описаниях к патентам на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Полный объем диссертации составляет 155 страниц. Работа содержит 66 иллюстрации на 37 страницах, 3 таблицы на 2 страницах, приложения на 7 страницах. Список использованных источников на 11 страницах включает в себя 136 наименований, из них 28 - авторские публикации.
